2022年多波形函数信号发生器方案.docx

精品学习资源个人资料整理仅限学习使用中文摘要多波形函数信号发生器的设计摘要 ：多波形信号发生器是工业生产、产品开发、科学讨论等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号；它依据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分别器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种， 如先产生正弦波，依据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关 系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波；也可以先产生三角波 - 方波，再将三角波或方波转化为正弦波；本设计主要是通过运算放大器，差分放大器来实现方波转换成三角波，再将三角波转换成正弦 波；设计时主要通过 EWB软件来实现仿真；关键词 ：函数信号发生器、误差分析、正弦波、三角波、方波欢迎下载精品学习资源英文摘要Design ofFunction generator AbstractMulti-waveform signal generator is industrial production, product development, scientific research in areas such as the necessary tools, it generates sawtooth and sine wave, rectangular wave, triangle wave is the basic test signals commonly used. It according to different purposes, there have three or more of the function generator waveforms, the circuit device can be used in the separation device, the device can also be integrated to produce square wave, sine wave, triangle wave has a variety of programs, Have a sine wave such as the first, according to a cyclical and non-sine wave of a sine wave was determined by the function, and then through the shaping circuitintoa square wave to sine wave, after integration into the circuit after the triangular wave. Can also have a triangular wave - square, triangle or square wave and then into a sine wave.This design mainly through operational amplifiers, differential amplifiers to achieve a square wave into a triangle, then triangle into a sine wave.Designed primarilyto achieve through the EWB simulation software.K eyword： square signalgenerator, error analysis, sine wave, rectangular wave, triangle wav欢迎下载精品学习资源目录1 引言. .- 1 -2 函数信号发生器设计要求及过程.- 2 -2.1 函数信号发生器设计要求 .- 2 -2.2 函数信号发生器电路设计的基本原理.- 2 -2.3 运算放大器的介绍 .- 3 -2.3.1迟滞电压比较器 . .- 3 -2.3.2积分电路 .- 5 -2.4 差分放大器的介绍 .- 6 -3 总体电路设计 .- 7 -3.1 方波三角波产生电路的设计 .- 7 -3.2 三角波正弦波变换电路的设计.- 11 -4.1 EWB软件的简介 . .- 15 -4.1.1 EWB 软件的概述 . .- 15 -4.1.2 EWB 软件的基本操作方法 . .- 15 -4.2 函数信号发生器的仿真过程及结果.- 16 -4.2.1使用 EWB对电路进行设计和试验仿真的基本步骤. .- 16 -4.2.2方波三角波信号发生器电路的装调及仿真结果. .- 16 -4.2.3三角波正弦波变换电路的装调和仿真. .- 17 -结论 . .- 20 -参考文献 <REFERENC）ES. .- 21 -致谢 . .- 22 -欢迎下载精品学习资源多波形函数信号发生器的设计1 引言信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在20 岁月电子设备刚显现时它就产生了；随着通信和雷达技术的进展，40 岁月显现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器进展成定量分析的测量仪器；同时仍显现了 可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器；由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简洁，因此进展速度比较慢；直到1964 年才显现第一台全晶体管的信号发生器；自 60 岁月以来信号发生器有了快速的进展，显现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采纳模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简洁波形；函数信号发生器是一种常用信号源，它广泛地应用在电子技术试验、自动掌握系统和其他科研领域；它能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形，因其时间波形可用某种时间函数来描述而得名；函数信号发生器在电路试验和设备检测中具有特别广泛的应用；例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频<高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频<低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器；在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、超声诊 断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器；信号发生器的应用特别广泛，种类繁多；第一，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特别的测量目的而研制的，如电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等；这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的；其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等；再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种；一般传欢迎下载精品学习资源统的信号发生器都采纳谐振法，即用具有频率挑选性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率；但也可以通过频率合成技术来获得所需频率；利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器；依据用途不同，有产生三种或多种波形的函数信号发生器，使用的器件可以是分立器件<如低频信号函数发生器 S101 全部采纳晶体管），也可以是集成电路 <如单片集成电路函数信号发生器 ICL8038）；本课题主要介绍由集成运算放大器与晶体差分放大器组成的方波三角波正弦波函数信号发生器的设计方法；2 函数信号发生器设计要求及过程2.1 函数信号发生器设计要求1. 频率调剂部分技术要求：<1）输出信号频率1Hz到100Hz可调；实现 <1Hz-10Hz， 10Hz-100Hz）频段连续可调；<2）频率稳固度不劣于 10 42. 输出波形部分技术要求<1 ）方波输出信号的峰峰值； 2> 三角波输出信号幅度峰峰值； 3> 正弦波输出信号的峰峰值；2.2 函数信号发生器电路设计的基本原理产生正弦波、方波和三角波的方案有很多种，比如先产生正弦波，然后通过整形电路的正弦波变换成方波，再由积分电路将方波转换成三角波；也可以先产生三角波方波，再将三角波变换成正弦波或将方波变换成正弦波等等；本课题讨论先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，其电路组成如图1所示：欢迎下载精品学习资源2.3 运算放大器的介绍图 1 函数信号发生器组成框图欢迎下载精品学习资源集成运算放大器是一种特别抱负的增益器件，常简称为运放，是具有很高放大倍数的电路单元，在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，运放是 一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体 芯片当中；随着半导体技术的进展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在；现 今运放的种类繁多，广泛应用于几乎全部的行业当中；特别在模拟集成电路中，它的应用最广，几乎涉及模拟信号处理的各个领域；本设计中应用到的集成运算放大器是迟滞电压比较器和积分电路，下面将它们一一介绍：2.3.1 迟滞电压比较器电压比较器 <Voltage Comparator ）的作用是对两个输入电压进行比较，并依据比较结果输出高、低两个电平的电压，以满意后面连接的数字电路对1 和 0 两个规律电平的要求；电压比较器广泛应用于信号处理和检测电路、波形产生电路、A/D 和 D/A 转换电路等；将比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，如图2<a） 所示， 待比较电压加 在反 相输入端； 通常将 这种 电路称 为迟滞比较器<Hysteresis Comparator），又称施密特触发器<Schmitt Trigger）；在抱负情形下，它的比较特性如图 2<b）所示；由图可见，它有两个门限电压，分别称为上门限电压和下门限，两者的差值称为门限宽度或迟滞宽度<Hysteresis Voltage）， 即：欢迎下载精品学习资源假设比较器输出高电平，就和共同加到同相输入端的合成电压为当 由小增大地通过时，输出电压由下跃到；可见，上式所示的就是比较器的上门限电压，即；当比较器输出为低电平时，按同样的分析求得加到同相输入端合成电压为如 由大减小地通过，就输出电压由上跃到；可见，上式所示的就是比较器的下门限电压，既；相应的门限宽度为3调剂和，可以转变；欢迎下载精品学习资源R2U 114R 3欢迎下载精品学习资源D 15R 1D 2R 2U RE F图 2<a）迟滞电压比较器欢迎下载精品学习资源图 2<b）迟滞电压比较器比较特性2.3.2 积分电路积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的排除及反馈掌握中的积分补偿等 场合；它可以使输入方波转换成三角波或者斜波，也可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，仍可将锯齿波转换为抛物波；积分电路被广泛的用于自控系统中的调剂环节中，此外仍广泛应用于波形的产生和变换以及外表之中；图3为有源积分电路；由图可见，输入信号电压在 中产生的电流；这个电流全部转移到反馈支路，向充电，形成相应的输出电压；如上的起始电压为零，就实现抱负的积分运算；欢迎下载精品学习资源3C欢迎下载精品学习资源i12R1+5U s-4+R LU 0-欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源2.4 差分放大器的介绍图 3 积分电路欢迎下载精品学习资源差分放大器 <Differential Amplifier），又称差动放大器，它是另一类基本放大器，它是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大；它可以是平稳输入和输出，也可以是单端<非平稳）输入和输出，常用来实现平稳与不平稳电路的相互转换，是各种集成电路的一种基本单元；广泛应用于集成电路中；差分放大器的基本电路如图 4 所示；它是由两个对称的共发放大器通过发射极电阻相耦合而成的；一般采纳正、负两个极性的电源供电，且；它有两个输入端，分别作用着输入信号电压和；有两个输出端；输出信号或从其中任一 个集电极取出，称为单端输出，或从两个集电极之间取出，称为双端输出或浮动输出.欢迎下载精品学习资源V CCR cR c欢迎下载精品学习资源+U i1T1R LT2R L+U i2-欢迎下载精品学习资源-R EEV EE图 4 差分放大器电路3 总体电路设计3.1 方波三角波产生电路的设计图 5 所示的电路是能自动产生方波三角波信号；电路工作原理如下：运算放大器与、及、组成迟滞电压比较器，称为加速电容，可加速比较器的翻转；运放的反相端接基准电压，即，即，同相端接输入电压，称为平稳电阻；迟滞电压比较器的输出的高电公平于正电源电压，低电公平于负电源电压；当时，输出从高电平翻转到低电平； 当时，输出从低电平跳到高电平；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源R 121R 2R 3345R P1U 01R 4C 232R P215R 54U 02欢迎下载精品学习资源C 1图 5 方波三角波产生电路如，依据电路叠加原理可得=0将上式整理，得比较器翻转的下门限电位_为如，依据电路叠加原理可得将上式整理，得比较器翻转的上门限电位为比较器的门限宽度由以上式子可得比较器的电压传输特性如图6 所示；欢迎下载精品学习资源图 6 比较器传输特性运放与、及组成反相积分器；其输入是前级输出的方波信号，从而可得积分器的输出为当时，电容被充电，电容电压上升即线性下降；当下降到时，比较器 A1 的输出状态发生翻转，即由高电平变为低电平，于是电容放电，电容电压下降，而即线性上升；当上升到时，比较器 A1 的输出状态又发生翻转， 即由低电平变为高电平，电容又被充电，周而复始，振荡不停；可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形关系如图 7 所示；图 7 三角波和方波的关系比较器和积分器首尾相连，形成闭合回路，就自动产生方波- 三角波；三角欢迎下载精品学习资源波幅度为的下降时间为, 而的上升时间为, 而把和的值代入，的三角波的周期 <方波的周期与其相同）为从而可知方波三角波的频率为由 和的表达式可以得出以下结论：欢迎下载精品学习资源1> 使用电位器调整方波三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度；如要求输出信号频率范畴较宽，可用转变频率的范畴，用实现频率微调；2> 方波的输出幅度应等于电源电压，三角波的输出幅度不超过电源电压；电位器可实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率；实际设计中，和可挑选双运算放大集成电路LM747<也可以选其他合适的运放），采纳双电源供电，；比较器与积分器的元器件参数运算如下：由式得取，就，挑选，为的电位器；取平稳电阻由式得：当时 ， 取， 就， 选 择， 为 的电位器；当时，取 以实现频率波段的转换 <实际电路当中需要用波段开关进行转换）， 及 的取值不变；平稳电阻；为加速电容，挑选电容值为的瓷片电容；3.2 三角波正弦波变换电路的设计欢迎下载精品学习资源本设计方案中，三角波正弦波的变换电路主要是由差分放大器来完成；差分放大器工作点稳固，输入阻抗高，抗干扰才能较强，可以有效地抑制零点漂移；利用差分放大器可将低频率的三角波变换成正弦波；这里挑选的差分放大电路形式如图8 所示；波形变换利用的是差分放大器传输特性曲线的非线性；分析说明，差分放大器的传输特性曲线的表达式为；式中；为差分放大器的恒定电流；为温度的电压当量，当室温为时；依据理论分析，假如差分电路的差模输入为三角波，就与的波形近似为正弦波；因此，单端输出电压也近似于正弦波，从而实现了三角波正弦波的变换；差分放大电路传输特性曲线的线性区越窄，其输出波形越接近于正弦波；在图 8 所示的电路中，电阻与电位器用于调剂输入三角波的幅度，电位器用于调剂电路的对称性，可以减小差分放大器传输特性的线性区；电容，为隔直电容，为滤波电容，以滤除谐波重量，改善输出波形；欢迎下载精品学习资源VCCRC1RC2C6欢迎下载精品学习资源U02+ C3R*1+C4RB1T1RE1RP4RB2U03C5T2欢迎下载精品学习资源R*2RP3T3T4RE3RE4图 8 三角波正弦波变换电路差分放大电路采纳单端输入单端输出的电路形式，电路中晶体管；电源电压取，；三角波正弦波电路的参数挑选的原就是：三角波经电容和分压电路、给差分电路输入差模电压；因三角波的幅值为8V，故取、；因三角频率不太高，所以隔直电容，要取得大一些，这里取；滤波电容视输出的波形而定，如含高次谐波成分较多， 可取得较小，一般为几十皮法至几百皮法；与相并联，以减小差分放大器的线性区；差分放大电路的静态工作点主要由恒流源打算，故一般先设定；取值不能太大，越小，恒流源越稳固，温漂越小，放大器的输入 阻抗越高；但也不能太小，一般为几毫安左右.欢迎下载精品学习资源为保证差分放大器有足够大的输入电阻，故取；由于要求输出的正弦波峰峰值大于 1V，所以应使差分放大器的电压放大倍数，依据的表达式可求得电阻，进而取；对于恒流源电路，其静态工作点及元器件参数如下：发射极电阻一般取几千欧姆，这里挑选,；3.3 函数信号发生器总体电路图函数信号发生器总体电路图如图9 所示图 9 函数信号发生器电路欢迎下载精品学习资源4 函数信号发生器的仿真4.1 EWB软件的简介4.1.1 EWB 软件的概述随着电子技术和运算机技术的飞速进展，促进电子电路及其应用系统设计手段也越来越先进；传统的电子电路与系统设计方法，周期长、耗材多、效率低，难以满意电子技术飞速进展的要求；“电子工作台” Electronics Workbench>， 即 EWB，是将先进的运算机技术应用于电子设计与仿真过程的新技术，它已被广泛应用于电子电路分析、设计、仿真、印刷电路板的设计等各项工作之中；EWB为使用者供应了一个集成一体化的设计与试验环境，创建电路、试验分析和结果输出在一个集成菜单系统中可以全部完成；使电子电路及系统的设计产生了划时代的变化；极大地提高了设计质 量与效率； EWB与电路分析软件“ SPICE”完全兼容，而且具有界面形象逼真、操作方便，采纳图形方式创建电路等优点； EWB有巨大的元器件库和比较齐全的仪器外表库； 54.1.2 EWB 软件的基本操作方法EWB 继承了当前全部 windows 环境下很多优秀应用软件的操作风格，软件中全部操作均可用鼠标实行拖放操作，即可见即可得；1> 元器件的操作第一在元器件栏中单击包含该器件的图标打开该元器件库，然后从元器件库中将该元器件拖至电路工作区；假如元器件的位置不合适的话，仍可进行移动和旋转操 作，同时仍可对元器件进行复制、删除操作；以上这些操作均在工具栏中有相应的工具图标表示，另外，双击被选中的元器件，或者挑选菜单命令Circuit/component Properties<电路元器件特性）会弹出相应的对话框，对话框具有多种选项可供设置， 包括 Label< 中英文标识）、 Models<模型）、 Value<数值）、 Fault< 故障设置）、Display< 显示）、 Analysis Setup<分析设置）等内容；2> 导线的操作欢迎下载精品学习资源第一将鼠标器指向元器件的端点使其显现一个小圆点，按下鼠标左键拖出一根导线并指向另一个元器件的端点使其也显现一个小圆点，按下左键时，导线自动消逝， 完成连线的删除，双击导线会弹出WireProperties对话框，挑选 Schematic Options 选项并按下 Set Wire Color按钮，可挑选导线合适的颜色；3> 仪器的操作EWB的仪器库存放有 7 台仪器可供使用，它们分别是数字多用表，函数信号发生器、示波器、波特仪、字符发生器、规律分析仪和规律转换器，这些仪器每种只有一台，在连接电路时，仪器以图标方式存在；它们的共同特点：仪器面板的旋钮和按钮的布置乃至操作程序跟现实仪器特别相像，需要时，只要把它们拖至电路工作区连上导线即可设置仪器参数，这一步骤相当于现场对仪器的操作调整，特别生动形象，切合实际； 104.2 函数信号发生器的仿真过程及结果4.2.1 使用 EWB对电路进行设计和试验仿真的基本步骤1. 用虚拟器件在工作区建立电路；2. 选定元件的模式、参数值和标号；3. 连接信号源等虚拟仪器；4. 挑选分析功能和参数；5. 激活电路进行仿真；6. 储存电路图和仿真结果； 94.2.2 方波三角波信号发生器电路的装调及仿真结果在 EWB软件环境下建立电路图，并认真检查电路；由于比较器与积分器组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，所以这两个单元电路可以同时安装；安装电位器 RP1和 RP2之前，要将其调整到设计值，本设计中，取内任一阻值，否就电路可能会不起振；只要电路接线正确，通电后，的输出为方波，的输出为三角波，微调，使三角波的输出幅度满意设计指标要求，调剂，就输出频率在对应波段内连续可变；方波三角波电路如图10 所欢迎下载精品学习资源示，仿真结果如图 11 所示：图 10 方波三角波电路图 11 方波三角波电路仿真结果4.2.3 三角波正弦波变换电路的装调和仿真1> 差分放大器传输特性曲线的调试和仿真在 EWB软件环境下建立电路图，设定各元件参数并认真检查电路；检查电路无误后，将与的连线断开，经电容输入差模信号电压，的欢迎下载精品学习资源正弦波；调剂及电阻，使传输曲线对称；在逐步增大，直到传输特性曲线外形如下列图，此时对应的；仿真电路图如图 12 所示，特性曲线仿真结果如图 13 所示：图 12 差分放大器仿真电路图 13 差分放大器特性曲线仿真结果2>三角波正弦波变换电路的调试和仿真将与连接，调剂使三角波的输出幅度等于为 55mV，这时输出的波形应接近于正弦波，调整改善波形；假如的波形显现较严峻的失真，就应调整和修改电路参数；假如产生半波圆顶或平顶失真，是由于工作点Q偏上或者偏下所致，欢迎下载精品学习资源这时传输特性曲线对称性差，应调整电阻，假如产生钟形失真，就传输特性曲线的线性区太宽，应减小, 假如产生非线性失真，是由于三角波的线性受运放性能的影响而变差，可在输出端加滤波网络改善输出波形；三角波正弦波变换电路如图14 所示，仿真结果如图 15 所示：图 14 三角波正弦波仿真电路图 15 三角波正弦波仿真结果欢迎下载精品学习资源结论通过本次设计，懂得了函数发生器的设计原理，在查资料的过程中充实了自己；本电路利用集成运算放大器构成的正反馈电路产生了三角波、方波以及最终利用差分电路的传输特性将方波转换成了正弦波；设计点了路过程中仍存在电路设计不够合理简便，设计思路比较简洁，给画图带来了困难；而其在仿真过程中可以看出正弦波在达到幅值时存在肯定的失真，这是本电路的不足之处；在挑选仿真软件过程中，本着简洁、快捷、精确的标准，选用了 EWB软件，在使用中虽然仍存在肯定缺陷，但是就本次设计而言已经达到了预期的标准；另外，本设计在一些正弦波形要求不是肯定严格的场合，本电路是特别经济有用的挑选；设计过程中，得到老师和同学的大力帮忙，感谢他们！欢迎下载精品学习资源参考文献 <References ）1 吴新开，于立言电工电子实践教程M 北京：人民邮电出版社，20022 陈晓文电子线路课程设计M 北京：电子工业出版社，20043 藏春华电子线路设计与应用M 北京：高等训练出版社，20054 谢自关电子线路综合设计M 湖北：华中科技高校出版社，20065 路勇电子电路试验及仿真M 北京：清华高校出版社，20046 蔡忠法电子技术试验与课程设计M 杭州：浙江高校出版社，20037 华成英 .模拟电子技术基础. 北京：高等训练出版社，2006.8 蔡惟铮 .基础电子技术 . 北京：高等训练出版社，2004.9 覃善华 , 欧阳义芳 , 吴伟明 , 周文政； EWB在数字电路教案中的应用J ；现代电子技术；2004 年 01 期10 胡晓云 , 邓肖粤； EWB在模拟电子技术基础课程教案中的应用J ；嘉兴学院学报； 2001年 03 期欢迎下载精品学习资源致谢在做函数信号发生器的设计过程中遇到了很多在学习过程中没有遇到过的疑问和问题，是大家的热忱无私的帮忙才得以逐一克服；尽管如此，文中肯定仍有不少偏颇甚至错误，仍望各位专家领导老师赐予指正；在本人完成论文的过程中，得到了导师的尽心指导和支持；老师渊博的学识、教书育人的高尚风范、严谨的治学风格、高度的敬业精神以及热忱细致的指导，使我终身受益；无论是论文总体结构仍是详细完成，老师都赐予了我大量的帮忙，并供应了充分的最新方案资料等；从而使本人的理论和实践水平得到较大的提高开阔视野，并总结了很多有意义的体会；这些对于本人来说是无比宝贵的学问财宝；同时，本人论文也得以顺当的完成；在此，我诚心地向老师表示最真诚的谢意；最终，向全部在我的高校四年学习和生活过程中赐予帮忙的各位老师、同学致意深深的祝愿；感谢大家！欢迎下载